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Forschungsbereich Komponenten

Die Forschungsgruppe „Komponenten“ beschäftigt sich mit Themen rund um die Betriebsmittel in der elektrischen Energieversorgung. Traditionsgemäß spielt dabei am IEH der Leistungstransformator eine große Rolle. Hier geht es vor allem um die Themen Lebensdauer, Alterung und Wirkungsgrad. Die Kabeldiagnostik ist seit Jahren ein weiterer Schwerpunkt innerhalb der klassischen Betriebsmitteldiagnostik. Die Kabeldiagnostik bekommt aufgrund der steigenden Kabellängen im Hoch- und Höchstspannungsbereich und der angestrebten sowie verbauten Kabellängen eine hohe Bedeutung zu. Aufgrund dessen wird am IEH an einem innovativen Diagnoseverfahren geforscht, welches Fehler und Veränderungen lokal aufzeigen kann. Die Integration erneuerbarer Energien und die Elektromobilität haben dafür gesorgt, dass sich die Bandbreite der verschiedenen Komponenten stark erhöht hat. So finden seit einigen Jahren auch Batteriespeicher, Elektrotankstellen und Leistungsschalter für hohe Gleichströme Berücksichtigung. Unter den Batteriespeichern nimmt die Vanadium-Redox-Flow-Batterie eine Sonderstellung ein, da sie außergewöhnlich gut für den Aufbau von großen Batteriesystemen im Energienetz geeignet ist. Aber auch die sehr viel weiter entwickelte Lithium-Batterie, zum Einsatz in Haushalten mit PV-Anlagen und als Quartierspeicher, wird hierbei erforscht. Im Bereich der Elektromobilität liegt der Schwerpunkt bei der induktiven Übertragung von elektrischer Energie zwischen dem Fahrzeug und der Versorgungsquelle. Durch das induktive Laden entfällt die Steckverbindung mit Kabel und Stecker, wodurch u.a. eine höhere Akzeptanz zur Elektromobilität zu erwarten ist. Durch die großen Entwicklungssprünge in der Leistungselektronik wird der Einsatz von Gleichspannung in der elektrischen Energieversorgung immer interessanter. Der Aufbau von vermaschten Strukturen mit hohen Gleichspannungen wird jedoch noch behindert durch die schlechten Schalteigenschaften des Gleichstroms. Dem wird am IEH mit einem neuen Schalterkonzept begegnet. Neben der klassischen Aufteilung der Themen in Simulation und experimentelle Untersuchungen an Demonstratoren und Versuchsständen findet auch die innovative Hardware-in-the-Loop Technik als Brücke zwischen Simulation und Experiment Anwendung.

 

 

Forschungsschwerpunkte im Bereich Verteilnetze
Induktive Batterieladesysteme für Elektrofahrzeuge
Modellierung und Optimierung von Vanadium-Redox-Flow Batteriesystemen
Bewertung und Weiterentwicklung der Line Resonance Analysis (LIRA)

 

 

Induktive Batterieladesysteme für Elektrofahrzeuge

 

Die Dauer, die Sicherheit und der Komfort des Ladevorgangs von Elektrofahrzeugen beeinflussen deren Verbreitung im öffentlichen und privaten Gebrauch. Durch induktive Energieübertragung kann das Anschließen des Ladekabels entfallen, der Ladevorgang startet ohne weitere Interaktion mit dem Fahrer und ist unabhängig von der Witterung. Die notwendige Übertragungsleistung über den Luftspalt zwischen Fahrbahnoberfläche und Fahrzeugboden bei gleichzeitiger Minimierung des Platzbedarfs und des Gewichts der Empfängereinheit im Fahrzeug erfordert eine detaillierte Auslegung und Abstimmung der einzelnen Systembestandteile. Nur bei resonanter Kopplung der beiden Spulensysteme ist eine verlustarme Energieübertragung möglich. Allerdings ist für die flächendeckende Verbreitung die Interoperabilität der Fahrzeuge und Ladestationen verschiedener Hersteller notwendig.

Ansprechpartner: Daniel Barth, M.Sc.

 

 

Modellierung und Optimierung von Vanadium-Redox-Flow Batteriesystemen

 

Vanadium Redox Flow Batterien (VRFB) vereinen Elemente aus Brennstoffzellen und Batterien. Elektrischer Strom wird in sogenannten Stacks in elektrochemische Energie umgewandelt und im sogenannten Elektrolyten gespeichert. Als Elektrolyt fungieren hier in verdünnter Schwefelsäure gelöste Vanadium-Salze. Die Stacks definieren die Lade- und Entladeleistung, wohingegen die Speicherkapazität durch die Menge an in Tanks gelagertem Elektrolyt bestimmt wird. Beide Größen sind damit völlig unabhängig voneinander skalierbar. Das macht diese Batterie für die großtechnische Anwendung im Netz besonders interessant. Insbesondere für Leistungen im Megawatt-Bereich und Speicherdauern von mehreren Stunden verspricht die Technologie in Zukunft Kostenvorteile. Am IEH wird an der Modellierung, dem Aufbau und der Optimierung sowie der optimalen Betriebsführung mittels angepasster Steuerungshardware der VRFB geforscht. So wird z.B. untersucht, ob es eine optimale Zellgröße gibt und mit welchem Elektrolyt-Volumenstrom die Stacks idealerweise versorgt werden müssen. Das Forschungsgebiet umfasst daher auch Elemente des Maschinenbaus und der Chemie. Das IEH entwickelt eigene Steuerungskomponenten für die VRFB. Es bestehen Kooperationen mit mehreren Herstellern, um die am Computer und Versuchstand gewonnenen Erkenntnisse gegenzuprüfen.

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Thomas Lüth

 

 

Bewertung und Weiterentwicklung der Line Resonance Analysis (LIRA)

 

Die Line-Resonance-Analysis (LIRA) verbindet die Fehlerortung sowie die örtliche Lokalisierung von Veränderungen in einem Kabel. Die LIRA verwendet hierbei für beide Auswertungen die gleichen Messdaten, wodurch unterschiedliche Messaufbauten nicht benötigt werden. Bei der klassischen Fehlerortung von Kabelbrüchen, Beschädigungen durch Bauarbeiten, usw. kommt bisher die Time-Domain-Reflectometry (TDR) zum Einsatz. Hierbei kann der Fehlerort genau bestimmt werden. Mittels der TDR können aber langsame Veränderungen in der Isolierung nur sehr schwer erfasst werden, wodurch eine Aussage nur über eine integrale Verlustmessung (Tan-Delta-Messung) getroffen werden kann. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse lassen aber nur eine Bewertung der gesamten gemessenen Kabelstrecke zu. Also es kann keine lokale Aussage über eine Veränderung getroffen werden. Aufgrund dessen soll eine mögliche Diagnoseform, wie die LIRA, untersucht werden. Die LIRA stellt keine neue Diagnosemethode dar, da diese bereits verwendet wird. Aufgrund von unzureichenden Untersuchungen, Veröffentlichungen und bisherigen Messerfolgen soll das bisherige LIRA Messverfahren untersucht und verbessert werden.

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Tobias Maier